Мониторинг биоты (на разных уровнях его проведения) на примере водной среды

Мониторинг биоты (на разных уровнях его проведения) на примере водной среды

Москва 2004г. МОНИТОРИНГ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ Для биоиндикации могут использоваться показатели биосис тем всех рангов.

Обычно, чем ниже ранг биосистемы, используе мой в качестве биоиндикатора, тем более частными могут быть выводы о воздействиях факторов среды и наоборот.

Организмы и суборганизменные структуры. K биосистемам суборганизменных рангов относятся молекулы и молекулярные комплексы (белки, нуклеиновые кислоты и др.), клеточные орга ноиды, клетки, ткани, органы и системы органов. Для биоинди кации наиболее показательны следующие характеристики · химический состав клеток; · состав, структура и степень функциональной активности феноменов; · структурно-функциональные характеристики клеточн ых органоидов; · размеры клеток, их морфологические характеристики, уровень активности; · гистологические показатели; · концентрации поллютантов в тканях и органах; · частота и характер мутаций, канцерогенеза, уродств.

Тератогенный эффект факторов среды - способность вызы вать y тест-организмов различные уродства, пороки развития.

Последствия тератогенных воздействий различны: в одних слу чаях тератогенез может проявляться только на уровне клеточных органоидов, отдельных клеток; в других затрагивает ткани, орга ны и весь организм.

Большое значение для биоиндикации состояния окружающей среды и её антропогенных изменений имеют многочисленные структурные (анатомические) и функциональные (физиологиче ские) характеристики организма.

Использование некоторых структурных и функциональных характеристик сообществ (особенно фито-, зоои бактерио планктона и бентоса) для оценки качества водной среды (наряду с абиотическими показателями) является обязательным (ГОСТ 17. 1. 3 . 07-82; ГОСТ 17. 1. 2. 04-77;Рд 52. 24. 565-%о; Рд 52. 24. 564-96; Рд 52. 24. 420-95 и др.). Наиболее широко применяется оценка скорости аэробной деструкции органических веществ - биохимическое (или биологическое) потребление кислорода (БПК) планктоном. ВПК легко определяется экспериментально, оно выражается обычно в миллиграммах кислорода, расходуемо го при деструкции в единице объёма воды в условиях изоляции от солнечного света за период экспозиции (обычно 5 суток). Со ответствующая величина БПК обозначается БПК5. БПК5 являет ся одним их шести обязательных показателей при расч е те индекс а загрязненности воды.

Первичная продуктивность водных экосистем и их способн ость к самоочищению обычно оценивается по величине первичн ой продукции планктона и по соотношению скоростей образов ания валовой первичной продукции и деструкции (Р/R). Принятая классификация качества воды водоемов и водоток ов по биотическим показателям (ГОСТ 17. 1. 3. 07-82) учитывает следующие характеристики: · отношение общей плотности олитхег к общей плотности сообщества зообентоса (класс Oligochaeta - малощетинковые черви; многие их виды характеризуются повышенной устойчиво стью к загрязнению и гипоксии, что определяет высокое абсол ютное и относительное обилие олигохет в бентосе загрязнённых водоёмом); · концентрацию в воде всех бактерий и отдельных сапрофитных, т. е., активно разлагающих органических веществ; · индекс сапробности (и модификации Сладечека) по фито планктону, зоопланктону, перефитону; биотический индекс Вудивисса. Шкала и индексы сапробности.

Сапробностыо называется степень загрязненности водоёма органическими веществами, дос тупными редуцентам. B основную шкалу сапробности положен принцип, отражающий степень оксифильности гидробионтов- индикаторов. Водоёмы и отдельные участки их акватории клас сифицируются по степени загрязненности органическими веще ствами следующим образом (ГОСТ 17. 1. З. 07-82): · ксеносапробная зона (I класс чистоты) - вода “очень чис тая”; · олигосапробная зона ( II класс чистоты) - вода “чистая”; · бета-мезосапробная зона (III класс чистоты) - вода “слабо (умеренно) загрязнённая”; · альфа-мезасапробная зона ( I V класс чистоты) - вода “за грязнённая”; · полисапробная зона (V класс чистоты) - вода “грязная”; · гиперсапробная зона (VI класс чистоты) - вода “очень гряз ная”. Биологических переменных, характеризующих состояние от дельных особей, группы организмов, целых попуцляий и экосис тем, теоретически может быть бесконечное число. Но среди них имеется относительно немного параметров, тесно связанных с важнейшими показателями состояния группы организмов или отдельных особей. K важнейшим показателям относятся преж де всего, признаки предетального состояния организма или группы организмов, нарушение репродуктивных способ н остей, жизненного цикла и некоторые другие.

Наиболeе пoлнo вопросы мониторинга биологических пере менных были обсуждены весной 1979 г. нa семинаре в США. На семинаре было выделено семь секций: биохимия, физиология, паталогия, поведение, генетика, экология и биотестирование. B опубликованных тpудаx семинара приводятся списки биологи ческих параметром, рекомендуемых д л я включения в программы биологического мониторинга, и методы их определения. Эти методы в сочетании с классическими позволяют наи более полно описать состояние наблюдаемых экосистем, если известны критерии оценки полезности биологических перемен ных для мониторинга загрязнения, и определен диапазон изме нений биологических переменных.

Прицнипы отбора биологических переменных.

Возникновение потребности в разработке конкретных прог рамм биологического мониторинга привело к необходимости составления приоритетных списков структурных и функциональ ных переменных по уровням организации. На пути преодоления этих трудностей за основу было взято несколько существующих в литературе схем уровней организац ии живого B соот ветствии со схемой Ю. Одума (1975),спектр уровней организа ции изображается в виде горизонтального ряда. По мнению Одума, все уровни в равной степени заслуживают внимания исследователей.

Двигаясь слева направо, от генетических си систем до экосисте м , одни переменные становятся более важными и измен чи выми, в то время как важность других становится пре небрежительно малой, a их изменчивость едва заметной. Если в основу наложить схему уровней организации, предложенную H. П. Наумовым (1972), то картина будет иная (табл. 1). Иерархия структуры органического мира. (табл. 1)

Уровни Ступени
Молекулярно-клеточная организменная надорганизменная
Низший Молекулы однго класса ткани Популяции
Средний Органоиды, клетки Органы, их системы Биоценотические комплексы
Высший Клетки организмы биоценозы
при таком подходе H. П. Наумову удалось выделить харак терный уровень иерархии структуры органического мира, на котором живые системы способны к изолированному существованию и самостоятельному воспроизведению.

Обычно неизвестен характер связи между показателями низшего и среднего уровней и основным показателем, которым обладает только высший уровень - вос производство.

Поэтому в токсикологических опытах предпочте ние отдают наблюдениям за структурными и функциональными параметрами именно высшего, a не среднего и низшего уровней. Набор биологических откликов для низшего и среднего уровней молекулярно-клеточной и организменной ступеней зависит главным образом от степени развития методических приемов, кото рые приходят из физики, химии, кибернетики и других наук.

Широкий арсенал методических приемов позволяет получать разнообраз ную информацию как о структуре жизненно важных макромо лекул, биомембран и органоидов клетки, так и о кинетике внут риклеточных процессов. Для практических нужд в первую очередь используются простые методы, с помощью которых можно измерять физиолого-биохимические показатели, имеющее высокую корреляцию с такими важными переметными, как смертность, рождаемость, продолжительность жизни и др.

Механизмы, лежащие в основе поражения отдельных клеток, организмов, популяций или сообществ при воздействии одного и того же повреждающего фактора, будут отличаться друг от друга, т.к. каждая из ступеней структуры живого описывается определенным набором переменных, принадлежащих только данной ступени Включению биологических переменных в программы биологического мониторинга предшествует отбор переменных, исходя из определенных критериев. B первую группу были включены критерии, отражающие фундаментальность биологического воздействия, во вторую - оценивающую эффективность биологических измерений и в третью - практическую ценность переменных, предлагаемых для включения в программы мониторинга.

Первая группа охватывает следующие критерии: 1. существование связи между выбранной переменной и такими показателями, как рост, воспроизводство, выживаемость особей, популяции, сообщества и экосистемы; 2. характер связи между наблюдаемой переменной и откликами на низших и высших уровнях организации; 3. специфичность отклика переменной к фактору, его вызывающему; 4. возможность возврата пе ременной к своему первоначальному значению после прекращен ия действия возмущающего фактора; 5. специфичность дей ствия фактора для определения группы организмов.

Вторую группу составляют следующие критерии: 1. характер связи отклика переменной с действующим загрязнением; 2. интенсивность действующего фактора, вызывающего наблюдаемый отклик переменной; 3. пределы изменения величины действующего фактора, вызывающие наблюдаемый эффект; 4. величина отрезка времени, в течение которого форм ируется отклик (часы, дни, годы); 5. легкость обнаружения превышения “сигнала” отклика над природным фоном (шумом”); 6. точность измерения наблюдаемого отклика переменной. B третью группу критериев входят: Оценка стоимости измерения отклика переменной, которая включает стоимость капи тального оборудования, обучения персонала и штатов, a также оценка диапазона использования отклика переменной в прог раммах биологического мониторинга.

Обычно программы биологического мониторинга строятся таким образом, чтобы он включали намерение как неспецифических, так и специфических биологических откликов. Так как отклики на высших уровнях организации (популяции и сообщества) более важны с экологической точки зрения, по практически не несут информации об изменениях на низших уровнях организации - клеточном и молекулярном. B то же вре мя последние являются более чувствительными и специфичными показателями. В этом случае выбранная биологическая переменная будет либо общим (неспецифическим) показателем изменений окружающей среды, так как загрязнение обычно представляет собой комбинац ию разнообразных веществ и переменных окружающей среды, либо специфическим откликом на известный класс веществ, вы бранный для определения связи “причина-эффект”. Если про граммой биологического мониторинга предусмотрена оценка со стояния окружающей среды с учетом общих и специфических показателей, то в программу надо включать биологические перем енные, отвечающие разным уровням биологической организац ии . Молекулярный уровень.

Рассматривая два организма на молекулярном уровне, принад лежащие к одному семейству или отряду, a иногда и к разным таксонам, мы видим больше сходства, чем различия.

Высокая степень сходства молекулярно-клеточной организации и биохим ических превращений по сравнению с более высокими уровня ми организации не может не удивлять. Это удается проследить при переходе от самого низкого уровня организации живого к высшему. И, нес мотря на то, что различие удается установить только на моле кулярном уровне организации, атомный, т. е. домолекулярный, уровень не входит в иерархическую структуру живого органического мира; оказывается, что именно здесь обеспечивается вы сокая степень универсализма как структуры и функции моле кул, так и биохимических реакций.

Заметные различия обнару живаются даже у близкородственных видов только при переход е на более высокие уровни организации (ткань, органы, орга низм). Эти соображения позволяют предположить, что ответные реакции разных организмов, относящихся к одному семейству или роду, при действии токсических веществ на молекулярном уровне не будут сильно различаться. Это в свою очередь дает возможность экстраполировать результаты, полученные в опы тах с одними организмами на тканевом или организменном уровне. B настоящее время имеется большой выбор переменных, используемых в биохимии и молекулярной биологии, которые могут быть включены в программы мониторинга, осуществляе мого для молекулярного уровня. B соответствии с ранее описан ными критериями к молекулярному уровню отнесены следующие биологические переменные : отношение концентраций таурин/глицин, концентрация металлотионеинов, содержание стероидов, со держание оксигеназы со смешанной функцией, энергетический заряд, хромосомные нарушения.

Перечисленные биологические переменные можно разделить, на две группы: специфические, реагирующие на определенные вещества, и неспецифические, реагирующие на любые воздействия, включая загрязняющие и биогенные вещества.

Оксигеназы со смешанной функцией.

Цитохром P-450 - гемопротеид, содержащийся в оксигеназ ных системах, можно без преувеличения отнести к универсальн ой молекуле. Она обнаружена у бактерий, высших растений и млекопитающих.

Наряду с основными функциями цитохром; P-450 может принимать участие в метаболизме чужеродных со единений. В определенных условиях изменение активности оксигеназы со смешанной функ цией у организмов, взятых в качестве пробы из естественных популяций, может свидетельствовать о хроническом или остром загрязнении морской среды нефтепродуктами.

Вероятно, пред сказательная ценность этого показателя повысится, если будут уточнены границы его применимости.

Металлотионеины.

Процессы детоксикации некоторых тяжелых металлов у мно гих видов морских рыб, моллюсков и ракообразных идут путем их связывания с металлотионеиновыми белками. Так, например, при действии ртути в концентрации 5 мкг/л на лосося было обнаружено значительное увеличение концентрации ртути в тканях, связанное с ферментно-белковым аулом, и снижение значений показателя роста (Сариххо, 1981). При действии ртути в концентрации 1 мкг/л подобного эффекта не наблюдалось, по-видимому, потому, что весь металл образовывал комплексы с металлотиопеинами. B таких случаях о токсическом действии по концентрации металлов в тканях морских организмов можно судить с определенной осторожностью. Од н ако не все тяжелые металлы могут подвергаться детоксикации путем образования комплексов с металлотионеиновыми белками.

Несмотря на это ограничение, содержание металлотионеинов в организмах, взя тых из загрязненных экосистем, следует отнести к перспективным специфическим переменным, которые могут занять достойное место в системе мониторинга загрязнения морской среды тяже лыми металлами.

Энергетический заряд.

Показатель энергетического состояния организма позволяет оценивать количество химически связанной энергии, запасенной в пуле адениновых нуклеотидов и доступной в дан ный момент для метаболических процессов в организме.

Энерге тический потенциал определяется по формуле ЭП= (АТФ+1 / 2АДФ) / (АТФ+АДФ+АМФ) Установлено, что активность одних фермен тов зависит от концентрации АТФ, активность других определ яется концентрациями АДФ, АМФ или соотношениями АТФ/АМФ; АТФ/АДФ. Энергетический потенциал, являясь пок азателем энергетического состояния клетки, отражает общее регуляторное воздействие адениновых нуклеотидов на уровень клеточного метаболизма.

Энергетический потенциал может измениться под дей ствием внешних факторов.

Снижение его значения до 0,5-0,75 означает, что процессы потребления и аккумулирования энергии разбалансированы под влиянием неблагоприятных факторов. 13 стрессовых условиях значения энергетического потенциала ниже 0,5 (Chapman et a1., 1971). Основные достоинства метода с использован нем энергетиче ского потенциала в качестве показателя воздействия загрязняю щих веществ на биоту заключаются в следующем: 1. разность между значениями энергетического потенциала в нормальных и стрессовых условиях есть величина постоянная для данного организма; 2. внутривидовые различия значений энергетического потенциала очень малы, что позволяет работать с выборкой небольшого объема; 3. ответ на стрессовое воздействие может быть зарегистрирован быстрее, чем при использовании других показателей к недост атку этого показателя относится, прежде всего, то, что при постоянном значении энергетического потенциала время обращения может значительно варьировать (Кпоw1ев, 1977). Поэтому стрессовые воздействия, в л ияющие на время обраще ния пула адениновых нуклеотидов, зарегистрировать трудно.

Стероиды.

Исследования метабо лизма стероидных гормонов у морских рыб и млекопитающих свидетельствуют о том, что сублетальные концентрации загряз няющих веществ могут повлиять на ферментные системы, ответ ственные за стероидогенез , который в свою очередь определяет функционирование гомеостатического механизма животных.

Обнаружена достоверная корреляция между влиянием сублет альных концентраций некоторых загрязняющих веществ и ме таболизмом стероидных гормонов у птиц, рыб и морских млеко питающих.

Однако эти данные были пол учены на небольшом экспериментальном материале и лишь в нескольких лабораториях . Поэтому показатель активности метаболизма стероидных гормонов сможет найти место в программах мониторинга на молекулярном уровне лишь мосле до полнительных исследований на широкой группе позвоночных и беспозвоночных животных.

Именно по этой причине этот пока затель не может быть рекомендован для включения в ныне действующие программы мониторинга.

Хромосомные нарушения.

Хроническое или случайное присутствие загряз няющих веществ антропогенного может привести, к различным нарушениям генетического плана (рис. 1). Например, присутствие загрязняющих веществ Рис. 1. Генетические последствия влияния загрязнения на популяцию.